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Bose-Einstein condensate by evaporative cooling in a dipole trap applied to metrology by atom interferometry

Clément Courvoisier

Published Oct 7, 2016• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein.

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Condensat de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif dans un piège dipolaire pour la métrologie par interférométrie atomique

Clément Courvoisier

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein.

•Oct 7, 2016•0 citations

Étude de l’effet des distorsions du front d’onde dans un interféromètre atomique avec un condensat de Bose-Einstein

Corentin Carrez

La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.

•Jul 13, 2023•0 citations

Study of the effect of wavefront distortions in an atom interferometer with a Bose-Einstein condensate

Corentin Carrez

La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.

•Jul 13, 2023•0 citations

Réalisation d'un condensat de Bose-Einstein dans un piège dipolaire optique à 1565 NM

Jean‐François Clément

Cette thèse présente la réalisation d'un dispositif expérimental permettant l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein de 87Rb. Pour atteindre la dégénérescence quantique, nous utilisons un piège dipolaire optique à 1565 nm. L'aspect inédit de ce travail de thèse réside dans l'utilisation de cette longueur d'onde pour réaliser un condensat de Bose-Einstein par une approche tout-optique. Une nouvelle méthode d'imagerie in situ basée sur les déplacements lumineux induits par la source à 1565 nm sur les niveaux d'énergies du 87Rb , semblable à une tomographie, a été mise en place. Elle nous permet de cartographier le potentiel dipolaire optique ainsi que d'observer la distribution atomique en énergie potentielle lors de la thermalisation du nuage d'atomes froids dans le piège optique. Notre compréhension des déplacements lumineux induits par le piège dipolaire optique sur l'atome de 87Rb a permis d'adapter la géométrie du piège pour charger suffisamment d'atomes, afin d'amorcer un refroidissement évaporatif, dernière étape vers la dégénérescence quantique. Un condensat de Bose-Einstein a finalement été produit après environ 4 secondes d'évaporation. Nous obtenons typiquement 50 000 atomes à 80 nK au terme du cycle de l'expérience.

•Nov 17, 2008•0 citations

Bose-Einstein condensate of sodium in a mesoscopic trap

MIMOUN, Emmanuel, Jean Dalibard

Dans ce mémoire, nous présentons les fondements, la construction et les premiers résultats d'une nouvelle expérience qui a débuté avec ce travail de thèse. Nous démontrons la production d'un condensat de Bose-Einstein de sodium confiné dans un piège optique fortement focalisé. Nous exposons des résultats originaux sur l'état fondamental et les excitations d'un condensat dans un piège gaussien avec un unique état lié, et nous montrons comment tirer parti des interactions entre états de spin pour la génération d'états quantiques fortement corrélés. L'optimisation de l'efficacité de la somme de fréquence en cavité doublement résonnante est ensuite étudiée et mise à profit pour la réalisation d'un laser solide pour le refroidissement du sodium. A partir de deux sources laser infrarouges commerciales, jusqu'à 800 mW de lumière à 589 nm sont produits, avec une efficacité de conversion quasi-totale. Ce laser est employé pour former un piège magnéto-optique, chargé grâce à la désorption atomique induite par la lumière. Après le chargement, la pression dans l'enceinte à vide redescend à sa valeur de base en moins de 100 ms. L'optimisation du transfert des atomes dans un piège dipolaire croisé est présentée. La conception et l'utilisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique sont exposées, permettant la réalisation d'un piège dipolaire fortement focalisé, dans lequel le condensat se forme après une phase de refroidissement par évaporation. Celle-ci est caractérisée et comparée à un modèle numérique.

•Jan 1, 2010•0 citations

Sources ultrafroides avancées pour l'interféromètrie et la physique atomiques

Julien Dugué

Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.

•Jan 1, 2009•0 citations
Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein.
Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein.
La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.
La constante de structure fine α est une grandeur au cœur des tests de véracité du Modèle Standard : elle permet d'obtenir une valeur théorique de l'anomalie du moment magnétique de l'électron qui est comparée à une valeur expérimentale. Nous déterminons α par une mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium 87. Pour réduire certains effets systématiques majoritairement responsables de l'incertitude sur la mesure réalisés en 2020 par notre équipe, nous avons utilisé une nouvelle source atomique : un condensat de Bose-Einstein. Nous avons particulièrement fiabilisé la production de ce condensat en améliorant le contrôle tant physique qu'informatique afin d'obtenir un nuage de 200 000 atomes à 100 nK en 3,5 secondes. Nous avons ensuite étudié les interactions propres et mutuelles dans un condensat. Elles induisent un déphasage et un gradient de phase en sortie d'interféromètre qui dépendent des paramètres expérimentaux. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un système d'imagerie par absorption par caméra dont nous avons au préalable étudié le bruit. Ma contribution principale porte sur la comparaison de la mesure de h/m par interférométrie atomique entre une mélasse optique et un condensat. J'ai mis en évidence une différence liée aux effets de distorsion du front d'onde qui rendent la valeur obtenue avec le condensat instable. Ce manuscrit présente une étude préliminaire de cet effet en utilisant le condensat pour sonder les défauts locaux du front d'onde.
Cette thèse présente la réalisation d'un dispositif expérimental permettant l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein de 87Rb. Pour atteindre la dégénérescence quantique, nous utilisons un piège dipolaire optique à 1565 nm. L'aspect inédit de ce travail de thèse réside dans l'utilisation de cette longueur d'onde pour réaliser un condensat de Bose-Einstein par une approche tout-optique. Une nouvelle méthode d'imagerie in situ basée sur les déplacements lumineux induits par la source à 1565 nm sur les niveaux d'énergies du 87Rb , semblable à une tomographie, a été mise en place. Elle nous permet de cartographier le potentiel dipolaire optique ainsi que d'observer la distribution atomique en énergie potentielle lors de la thermalisation du nuage d'atomes froids dans le piège optique. Notre compréhension des déplacements lumineux induits par le piège dipolaire optique sur l'atome de 87Rb a permis d'adapter la géométrie du piège pour charger suffisamment d'atomes, afin d'amorcer un refroidissement évaporatif, dernière étape vers la dégénérescence quantique. Un condensat de Bose-Einstein a finalement été produit après environ 4 secondes d'évaporation. Nous obtenons typiquement 50 000 atomes à 80 nK au terme du cycle de l'expérience.
Dans ce mémoire, nous présentons les fondements, la construction et les premiers résultats d'une nouvelle expérience qui a débuté avec ce travail de thèse. Nous démontrons la production d'un condensat de Bose-Einstein de sodium confiné dans un piège optique fortement focalisé. Nous exposons des résultats originaux sur l'état fondamental et les excitations d'un condensat dans un piège gaussien avec un unique état lié, et nous montrons comment tirer parti des interactions entre états de spin pour la génération d'états quantiques fortement corrélés. L'optimisation de l'efficacité de la somme de fréquence en cavité doublement résonnante est ensuite étudiée et mise à profit pour la réalisation d'un laser solide pour le refroidissement du sodium. A partir de deux sources laser infrarouges commerciales, jusqu'à 800 mW de lumière à 589 nm sont produits, avec une efficacité de conversion quasi-totale. Ce laser est employé pour former un piège magnéto-optique, chargé grâce à la désorption atomique induite par la lumière. Après le chargement, la pression dans l'enceinte à vide redescend à sa valeur de base en moins de 100 ms. L'optimisation du transfert des atomes dans un piège dipolaire croisé est présentée. La conception et l'utilisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique sont exposées, permettant la réalisation d'un piège dipolaire fortement focalisé, dans lequel le condensat se forme après une phase de refroidissement par évaporation. Celle-ci est caractérisée et comparée à un modèle numérique.
Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.